Экспериментальные исследования электромагнитных свойств нефти и нефтяных отложений в диапазоне 2 - 8,5 ГГц Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ

УДК 621 365 55: 536 331 В д М ДЙСТРЕНКО

И. В. БОГАЧКОВ А. И. ЕЛЕЦКИЙ Е. А. КАТУНСКИЙ

Омский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СВОЙСТВ НЕФТИ И НЕФТЯНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ДИАПАЗОНЕ 2—8,5 ГГЦ_

В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований электромагнитных свойств нефти и нефтяных отложений в диапазоне частот 2—8,5 ГГц.

В настоящее время продолжается изучение при- эквивалентные направляющие системы для ЭМВ о

мененияэлектромагнитных (ЭМ) волн (ЭМВ) микро- (круглый волновод, коаксиальная линия). Опти-

волнового диапазона (УВЧ — 0,3-3 ГГц, СВЧ — 3-30 ГГц) мальные рабочие частоты этих направляющих сис-

в нефтедобывающей промышленности [ I ]. Извест- тем с учетом их эквивалентных нагрузок будут на-

но, что эффективность нагрева увеличивается с ходиться в микроволновом диапазоне,

ростом частоты [2], хотя обычно в нефтедобываю- В литературе [1, 2] приводятся некоторые ЭМ

Щей промышленности (расплавление асфальто- параметры нефти и нефтесодержащих материалов, |

парафиновых пробок в трубах скважин, снижение но исследования ограничивались диапазоном ВЧ,

вязкости нефти и т. п.) применяются достаточно и лишь в [2] были приведены ЭМ характеристики

низкие частоты (13,56 МГц) [1,2). в диапазоне частот до 1 ГГц.

Особый интерес представляет изучение Как известно, даже на НЧ нефть является

полноводных типов мод [3, 5]. Применяемые в сква- диэлектриком (проводимость практически равна

жинах трубы стандартных диаметров образуют нулю), поэтому на УВЧ и СВЧ ЭМ потери в нефти

определяются только поляризационными эффектами (tg<5 = tgSnm — тангенс угла диэлектрических потерь Щб определяется только тангенсом угла поляризационных потерь tg 5пи1). В дальнейшем будем полагать, что магнитными свойствами нефть не обладает (т = 1), а суммарные потери в исследуемых веществах будут незначительны (^б <0,5).

Для определения ЭМ свойств нефти и жидких нефтесодержащих материалов (нефтяные отложения в скважинах, трубопроводах и т. п.) в диапазоне частот 2 — 8,5 ГГц были проведены эксперименталь-

выбраны так, чтобы в линии обеспечивался оаномодовый режим. Схема эксперимента, методика измерений и расчетов подробно описана в работе [3]. Для измерений в диапазоне от 2 до 8,5 ГГц использовался панорамный измеритель КСВН (коэффициента стоячей волны по напряжению) и ослабления (А, дБ) Р2-103. Приборные погрешности измерений: ОКСВ(%) = 5ЧКСВизм; ЭА(дБ) = = ±(0,04Аизм + 0,3); = 0,0051изм.

После калибровки в систему подключался объект измерения, и измерялись его частотные характеристики (ЧХ): КСВН на входе и А(дБ) на

Объект измерения — отрезок коаксиальной линии, заполненный исследуемой жидкостью

11«! -I »

Рис. 1. Объект измерения

ные исследования отрезка коаксиальной линии, который имеет разбираемую конструкцию и полностью заполняется исследуемым веществом (рис. 1).

Длина отрезка У = 9 см, диаметр внутреннего проводника 3 мм, а диаметр внешнего проводника 7 мм.

Характеристическое сопротивление 2с незаполненного измеряемого коаксиального отрезка, как и соединительных отрезков коаксиальных линий, составляет 50 Ом. Размеры этого отрезка

4 3.5

выходе. На рис. 2 приведены данные эксперимента КСВН (Г), а на рис. 3 - А, дБ (А.

Кроме данных для отрезка, заполненного нефтью, также приведены графики для незаполненного отрезка. Данные эксперимента для удобства соединены интерполяционной кривой.

На рис. 4 представлена фотография экрана измерителя, а на рис. 5 и рис. 6 приведены аналогичные зависимости (ЧХ КСВН и ЧХ ослабления) для

ЬГТц

Рис. 2. ЧХ КСВН при заполнении нефтью (гр. 1) и без заполнения (гр. 2)

ГГц

Рис, 3. ЧХ А (дБ) при заполнении нефтью (гр. 1) и без заполнения (гр. 2)

3 2.5 2 1.5 1

2.5 2 1.5 1

0.5 О

Рис. 4. Фотография ЧХ Д'я отрезка, заполненного нефтяными отложениями

Рис. 5. ЧХ КСВН при заполнении отрезка нефтяными отложениями (гр. 1) и без заполнения (гр. 2)

Рис. 6. ЧХ А (дБ) при заполнении отрезка нефтяными отложениями (гр. 1) и без заполнения (гр. 2)

отрезка, заполненного нефтяными отложениями нефтепровода.

Перед началом экспериментов с нефтяными

образцами были измерены ЧХ |ГЧ1|СТ| и |ТЧИСГ| отрезков без заполнения. Это позволило выделить систематическую погрешность эксперимента и скорректировать результат для заполненного отрезка. Анализ показал, что в незаполненном отрезке над потерями в проводниках преобладают потери в контактных соединениях [3].

При заполнении отрезка линии веществом изменяется и КСВН, и затухание. Из этой информации можно вычислить ЭМ характеристики

заполнения: е (относительная диэлектрическая проницаемость заполнения), tgS, £ (комплексная относительная диэлектрическая проницаемость), é

(вещественная часть ё: е' =£), ¿■"(мнимая часть Ё, связанная с потерями в диэлектрике).

ë = e,-ie' = e(\-itgS) = eyjl + (tg Sf e-s ■ Ш

Измерив KCB, можно определить Г (коэффициент отражения)

1 1 КСВ+1

ЬГГц

Рис. 7. ЧХ | Г | при заполнении отрезка нефтью (гр. 1), нефтяными отложениями (гр. 2) и без заполнения (гр. 3)

а затем рассчитать £ вещества, заполняющего отрезок. На рис. 7 приведены ЧХ |Г], соответствующих измеренным ЧХ КСВН, при заполнении отрезка нефтью, нефтяными отложениями и без заполнения.

На входе объекта измерения существует граница раздела сред (скачок 2с).

2 / _

_ АД~ 2с _ ' -_ 1 ~^ + ¿¡^"е-*"

Чё

(3)

На выходе объекта измерения будет обратный скачок 2с, что дает по модулю тот же коэффициент отражения, что формула (3), но с противоположным знаком.

Полный коэффициент отражения на входе Гвх определяется суперпозицией волн, отраженных от входа и выхода (рис. 8). Для получения количественных характеристик используются модели и методики [4].

Итоговая Э-матрица объекта измерения, заполненного изучаемым веществом, после преобразований [3,4] имеет вид:

5 =

1 - г2 е-2"' е~2,/" 1-Г2е-2а/е-2,/"

1-Г2 е~2а1е'21/" Г(1 - е"2а/ 1 - Г2 е~2а1 е~2,/"

(4)

где

Т = ^1-Г2 =

2уД

а и Р — коэффициенты

затухания и фазы соответственно. При незначительных потерях в заполнении отрезка (< 0,1) для вычисления а и /? можно использовать упрощенные формулы (с — скорость света):

а

2 Л

8

(6)

у

С помощью метода нагруженного многополюсника [4] определяем коэффициент отражения на входе и коэффициент прохождения на выходе:

,-2а! р-2,/7/ N

г„ =

т =

41

Г(1-е~

1 -Г2е~2сг' С21"' 1-Г2 е~2а/ е_2,/"

(7)

(8)

Анализ (7) показывает, что частотная зависимость Гвх при малых Г и малых потерях (а) имеет явно выраженную периодичность (см. рис. 4).

Гвх«Г(1-е"2'"е-2'/")«1-е

ар/

(9)

Минимумы будут наблюдаться при р1~7гп :

сп

fmm

2/^(1 + 0,25^^) • '10>

Максимумы будут наблюдаться

Р1 = к(п + 0,5):

при

/шах

:{п + 0,5)

2/^(1 + 0,25^^) • (И»

Измерив расстояние между двумя максимумами или минимумами (как известно, точнее получается измерение для минимумов), можно выразить необходимые параметры для определенного

диапазона частот (/п.../п+1):

*(1 + 0,25(гё5)2) =

4/2(/п+1-Л)2

(12)

При больших Г начинает проявлять себя знаменатель (7), и характер зависимости Гвх(/) усложняется.

Потери в «чистом» отрезке (без заполнения) можно учесть вычитанием полученных результатов

Рис. 9. ЧХ потерь в диэлектрике при заполнении о грезка нефтью С р. !) и нефтяными отложениями (гр. 2)

из зависимостей |Г (Г)| и А(дБ) для заполненного отрезка. Наиболее точные результаты получаются при анализе относительных мощностей [3, 4). После преобразований [3] получаем формулу для потерь в заполняющем диэлектрике (алиэл):

lnl Л-|Äà l"ln|TM -ln ^1-Г Г |+1п|Т...

(13)

После вычисления адим по формуле (.5) определяем

На рис. 9 приведены ЧХ потерь в диэлектрике при заполнении отрезка нефтью и нефтяными отложениями.

Решая совместно уравнения (3), (5) — (8), (12), (13), можно вычислить необходимые параметры заполнения а затем и е, е/, ¿' с помощью (1),

На рис. 10 и р.ic. 11 приведены ЧХ для tg<5 и ь" нефти.

На рис. 12 и рис. 13 приведены ЧХ для tg<5 и fí' нефтяных отложений.

При вычислениях ЭМ параметров нефти и нефтяных отложений оказалось, что существуют «зеркальные» решения, которые различаются как е и 1 /е (это следует из анализа рис. Ü и формулы (3)). Очевидно, что решения с к<1 следует исключить. Кроме того, оказалось, что может существовать несколько решений для с, удовлетворяющих условиям эксперимента.

На рис. 14 приведены усредненные ЧХ с нефти.

На'рис. 15 приведены усредненные ЧХ с нефтяных отложений. Кроме усредненных зависимостей, на рис. 15 приведены также регрессионные зависимости верхней и мижней границ полученных результатов для е.

2 - интерполяция усредненных данных)

Рис. 11.ЧХ £ нефти (I - усредненный график регрессии, 2 - интерполяция усредненных данных)

Рис. 12. ЧХ 1д5 нефтяных отложений (1 - усредненный график регрессии, 2 - интерполяция усредненных данных)

Рис. 13. ЧХ ё' нефтяных отложений (1 - усредненный график регрессии, 2 - интерполяция усредненных данных)

Рис. 14. ЧХ е нефти (1 - усредненный график регрессии, 2 - интерполяция усредненных данных)

ГГц

£ ГГц

Рис. 15. ЧХ £ нефтяных отложений (1 - усредненный график регрессии, 2 н 3 - граничные графики регрессии, 4 - интерполяция усредненных данных)

Выводы. Потери в нефтяных отложениях, как показывает анализ, при \ > 5 ГГц заметно превышают потери в чистой нефти (рис. 9), поэтому эти отложения будут нагреваться сильнее, чем чистая нефть. Данный эффект можно использовать для снижения вязкости нефти в нефтепроводе при транспортировке нефти, что в итоге уменьшит отложения на стенках нефтепровода.

Потери в нефтяных отложениях достаточны для реализации микроволнового нагрева.

Библиографический список

1. Известия вузов. Нефть и газ. - Тюмень: Иэд-во ТюмГНТУ, 2001 - 2005.

2. Кицис С. И. К оптимальной частоте ВЧ нагрева приэабойной зоны нефтяной скважины // Известия вузов. Нефтьигаз. - Тюмень:Изд-воТюмГНГУ,2001,№2. - С. 50 - 57.

3. В. А. Майстренко, И. В. Богачков, А. И. Елецкий, Е. А. Катунский- Экспериментальные исследования электродинамических свойств жидких веществ в микроволновом диапазоне // Омский научный вестник. -Выпуск (), . - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. - С. .

4. Богачков И. В. Матричные методы анализа СЬЧ-устройств: Учеб. пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. - 88 с.

5. Елецкий А. И., Катунский Е. А., Богачков И. В. Предварительная оценка затухания электромагнитных волн за счет нефтяного загрязнения волновода // Омский научный вестник. - Вып. 2 (27), июнь. - Омск: Иэд-во ОмГТУ, 2004. -С. 122-124.

МАЙСТРЕНКО Василий Андреевич - д. т. н.,

профессор; проректор по информатизации ОмГТУ, зав. кафедрой «Средства связи и информационная безопасность».

БОГАЧКОВ Игорь Викторович — к. т. н., доцент кафедры «Средсгвл связи и информационная безопасность»;

ЕЛЕЦКИЙ Алексей Ильич — инженер кафедры «Средства связи и информационная безопасность»; КАТУНСКИЙ Евгений Александрович — ведущий инженер ЦКБА, ст. преподаватель кафедры «Средства связи и информационная безопасность».

Дата поступления статьи в редакцию: 17.02.06 г. © Майстренко В.А., Богачков И.В., Елецкий А.И. Катунский Е.А.

621.664 и П листов

Омский государственный технический университет

ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ШЕСТЕРЕННЫХ НАСОСОВ

Представлена диагностическая модель технического состояния шестеренных насосов, позволяющая выявить условия возникновения основных дефектов насоса. Предложены диагностические признаки, позволяющие характеризовать рабочее состояние шестеренных насосов на стадиях обкатки и приемо-сдаточных испытаний после сборки насоса.

Анализ дефектов шестеренных насосов, возвращенных для ремонта на ОАО АК «ОМСКАГРЕГАТ» в течении 1970-2000 гг., показал, что основными причинами дефектов, перечень которых представлен в таблице 1, являются: износ зуба шестерни насоса, износ подпятника, износ опорных поверхностей шестерен и подшипниковых опор, срез рессоры ведущей шестерни. В качестве примера данные приведены для шестеренного насоса агрегатов 760Б и 4001 системы топливопитания авиационных двигателей АИ-25 и АИ - 25Т, который представляет собой прямозубую зубчатую передачу с внешним зацеплением: число зубьев ведущей и ведомой шестерен г, = г2 = 8; модуль зубьев шестерен т = 3,5 мм; номинальное межосевое расстояние

= 31,5 мм

Проведенный в работах [1-5], исследования реального нагруженного состояния конструктивных элементов шестеренного насоса показали, что

погрешности изготовления и сборки насоса могут привести к возникновению причин появления основных дефектов насоса, которые значительно снижают реальный ресурс насоса. Выявлено, что основными причинами возникновения этих дефектов являются:

1) работа зубчатого зацепления шестеренного насоса в условиях раскрытия контакта рабочих профилей зубьев при £а< 1, которая сопровождается увеличением динамических нагрузок, что приводит к повышенному износу зубьев шестерен;

2) монтажный перекос шестерен, который возможен при допустимом сочетании погрешностей изготовления и монтажа конструктивных элементов насоса, но приводящий к увеличению момента сил трения, действующий в паре трения «торцы зубьев шестерен - подпятник», который превышает номинальный расчетный момент, действующий на вал шестерни. В результате происходит интенсивный